变压吸附制氧技术原理

空气中的主要组份是氮和氧，因此可选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂，设计适当的工艺过程，使氮和氧分离制得氧气。

氮和氧都具有四极矩，但氮的四极矩（0.31Å）比氧的（0.10 Å）大得多，因此氮气在沸石分子筛上的吸附能力比氧气强（氮与分子筛表面离子的作用力强，如图1所示）。因此，当空气在加压状态下通过装有沸石分子筛吸附剂的吸附床时，氮气被分子筛吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附床，使氧气和氮气分离获得氧气。当分子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附床的压力，分子筛吸附的氮气可以解吸出来，分子筛得到再生并重复利用。两个以上的吸附床轮流切换工作，便可连续生产出氧气。

氩气和氧气的沸点接近，两者很难分离，一起在气相得到富集。因此变压吸附制氧装置通常只能获得浓度为90%~95%的氧气（氧的极限浓度为95.6%，其余为氩气），与深冷空分装置的浓度99.5%以上的氧气相比，又称富氧。

从上述原理可知，变压吸附空分制氧装置的吸附床必须至少包含两个操作步骤：吸附（较高压力下）和解吸（较低压力下），周期性地重复操作。因此，当只有一个吸附床时，产品氧气的获得是间断的。为了连续获得产品气，在制氧装置中通常都设置两个以上的吸附床，并且从节能降耗和操作平稳的角度出发，另外设置一些必要的辅助步骤，如均压、氧气冲洗等。

真空变压吸附（VPSA）空分制氧技术发展至今已有30多年的历史，其间国内外众多研究单位投入了大量的人力和物力，尤其是以北大先锋为代表的专研变压吸附气体分离技术的专业企业，积极进行研究开发和应用实践，工艺流程的创新和新型吸附剂的开发应用层出不穷，使这项技术获得了长足的进步和越来越广泛的认可，制氧装置性能指标不断提高、产氧规模越来越大，成为一项在大多数中小规模用氧场合可以替代传统的深冷分离空分制氧技术的成熟技术。

变压吸附制氧技术进展

　　变压吸附制氧技术开发始于20世纪60年代，20世纪80年代初美国和日本相继实现工业化。近几年，随着永磁电动机的开发及制氧工艺的优化，国外变压吸附制氧电耗已降到0.3kW·h/m3以下，双塔制氧最大规模突破6000Nm3/h以上，变压吸附制氧成本得到进一步降低，制氧规模逐年增大。

　　我国从20世纪80年代末期开始研究变压吸附制氧技术，直到20世纪90年代初才有了小型工业化装置。2000年初，以北京北大先锋科技有限公司为代表的高效锂基吸附剂生产及采用锂基吸附剂的变压吸附制氧工艺的工业化，使国内变压吸附制氧技术有了快速的进步及广泛的推广。目前，北大先锋建设的变压吸附两塔装置规模已达到6000Nm3/h，纯氧电耗也接近0.3kW·h/m3。

　　随着变压吸附制氧技术一些关键性问题，如高效锂基吸附剂稳定生产、径向床吸附器的研发、可靠的高频率以及大口径蝶阀开发等得以解决，国内变压吸附制氧技术的产氧规模逐年增大，氧气电耗逐渐降低，装置的可靠性稳步提升。装置规格也从最初的单套两塔制氧装置规模不足1000Nm3/h发展到了如今的6000Nm3/h，多塔并联后规模达到30000Nm3/h以上，单位制氧电耗降低到0.32 kW·h/m3以下，制氧装置的年开工率达到98%以上。鼓风机的噪声已达到85dB以下的要求（通过消声处理、厂房外1m噪声可以达到70dB以下），分子筛寿命更是延长到了5年以上，让用户对国产变压吸附制氧设备有了崭新的认识，扩大了变压吸附制氧设备的应用。仅2018年一年，国内规模超过1000Nm3/h以上变压吸附制氧装置建设就超过70套。

　　国内如北大先锋等企业通过不断努力，改变了变压吸附制氧分子筛依赖进口的局面，同时在锂分子筛等产品领域取得了突破，并实现新型分子筛产品的工业化应用。随着变压吸附制氧技术的发展与完善，相比深冷制氧技术，变压吸附制氧技术逐渐形成许多优势，进一步推动了该技术在国内众多行业的应用。

变压吸附制氧技术的发展展望

　　变压吸附制氧技术作为近20年快速发展的制氧新技术，随着其技术不断的进步和应用领域的扩大，逐渐得到众多用氧企业的认可。以降低制氧能耗为目的，开发新型吸附材料以及尝试与膜分离或深冷工艺进行耦合，通过优势互补，拓展更大的应用领域，是未来变压吸附制氧技术的重要研发方向。例如变压吸附制氧技术与膜分离技术耦合可以获得纯度大于99%的氧气，在偏远地区或一些需要移动式装备的工况下可以替代低温空分制氧。国内变压吸附制氧生产企业如北大先锋都十分注重研发工作，希望通过不断加大投入争取在未来的发展中抢占先机。随着变压吸附制氧技术日趋完善，变压吸附制氧技术必将具备多种优势和巨大的潜力，将拥有更广阔的应用前景。